储能协调控制器关键技术试验研究

赵 锦，郭寅远，许梦阳，郑 蓬，陈 卓，贺 春

（1.国网综合能源服务集团有限公司，北京 100052；2.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000）

随着新能源风电、光伏发电等间歇性、波动性电源接入电网规模的不断扩大，以及分布式电源在配网应用规模的不断扩大，电网系统的能量供需平衡及调节能力将面临巨大挑战。储能技术具备功率精准控制能力及快速响应特性[1]，为电力系统提供一种高效解决功率不平衡的方法，可极大地增加电网运行控制的主动性。

储能协调控制器是一种具备检测并网点的电压、频率和功率，可接受调度和电化学储能电站监控系统的调控指令，控制多台储能变流器，实现整站一次调频、动态无功调压等控制功能的装置[2]。

作为储能系统的指挥中枢，协调控制器是储能电站的核心设备，肩负着电站一、二设备功率协调控制和信息交互等作用。针对协调控制器试验手段不充分的情况，为加快协调控制器的工程应用进程，有必要对一次调频、无功调压及主备切换等关键技术进行试验研究。本文搭建了基于网络构架的协调控制器试验平台，对协调控制器的关键技术进行了闭环测试，为储能新设备在工程现场调试与应用提供技术手段。

1 平台介绍

1.1 协调控制器网路构架

面向新型电力系统的储能系统建设依据NB/T 42090—2016《电化学储能电站监控系统技术规范》[3]等相关技术要求，站内系统由站控层、间隔层2部分组成，并采用分层、分布和开放式网络结构实现互联。

系统平台搭建EMS（能量管理系统）服务器采用主备冗余配置，用以接收ⅠEC104模拟主站下发的遥控及遥调指令。电池管理系统、功率变换系统单独组网，并以储能单元为单元接入站控层网络；从接入能力和可靠性角度出发，协调控制器配置1主1备2从模式，通过ⅠEC61850-GOOSE、MMS（制造报文规范）分别接入PCS（储能变流器）控制层和站控层网络，协调控制器的主从配置及接入不仅解决了储能系统内针对单台PCS的控制策略存在的控制时间周期长、无法集中控制等问题[4]，而且也将站内核心控制功能的控制时间周期缩短至毫秒级，大大提高了统一协调控制效率，系统网络结构如图1所示。

图1 网络构架图

1.2 试验平台硬件构架

针对储能协调控制器一次调频等关键技术搭建了测试平台，测试平台结构图如图2所示，平台包括主机、交换机、协调控制器、继保测试仪、网络抓包与分析工具及时间同步系统测试仪等。其中，主机为平台设备的远程控制、仿真调度指令及模拟PCS接入等；网络抓包与分析工具抓取网络报文与录波时标，测试出口控制动作时间；继保测试仪输出电压、频率及开出等信号，测试协调控制器的一次调频等项目的测量精度和动作时间；时间同步系统测试仪用于给整个测试平台提供时间同步源；交换机用于连接局域网多台设备使其网络互通；协调控制器为被测设备。

图2 测试平台结构图

1.3 试验平台软件支撑

PCS模拟器用于测试协调控制器PCS的接入能力。模拟量包括PCS工作状态、有功功率、无功功率、额定输出功率、最大充电功率、最大放电功率及电池系统SOC（电池剩余电量）等。

从协调控制器通过间隔层交换机接入多台PCS快速功率仿真装置，并通过系统集成工具把各ⅠED（智能电子设备）的ⅠCD（能力描述文件）文件集成并进行实例化，包括ⅠED名、信息点描述等形成SCD（变电站配置描述）模型文件供建立通信应用。模拟装置所需的PCS工作状态、有功功率、无功功率及电池系统SOC等模拟量的采集与上送采用61850 GOOSE服务实现。

采用GOOSE服务传输特点[5]如下。

（1）可靠性。GOOSE具有信号重发机制，能够确保数据传输的稳定性和可靠性。GOOSE信号可在较短时间内对信号进行一定次数的重发并以一定时间间隔进行定时重发，当在GOOSE控制功能块监视下的数据集合发生数据变化时可以强制打断上述2种阶段的数据发送，随后重新进入重发阶段，既保证突发数据的优先性，又获得了数据的可靠性。

（2）实时性。GOOSE信号传输采用的是OSⅠ（开放式系统互联）模型，但只用到OSⅠ网络参考模型中的4层，即应用层、表示层、数据链路层和物理层，是从应用层经过表示层ASN.1编码后，直接映射到底层的数据链路层和物理层，而不经TCP/ⅠP协议，即不经网络层和传输层。这种映射方式避免了通信堆栈造成的传输延时，从而保证了报文传输的实时性。传输过程如图3所示。

图3 GOOSE传输过程图

EMS（能量管理系统）向主协调控制器下发的功率控制指令可通过GOOSE报文分配给PCS模拟装置，同时PCS模拟装置将提取到的各模拟量信息以GOOSE报文上送，其每帧传输的采样值数量可根据具体的选型确定，保证信息传送的快速性及可靠性。

2 协调控制器关键技术试验

2.1 一次调频动作时间试验

协调控制器实时监测并网点频率，主动实施一次调频功能，在储能电站可调容量允许的范围内实施调频功率分配[6-7]。一次调频试验在满足特性曲线的同时，要满足动作时间不超过100 ms的要求。

储能系统参与电网一次调频特性曲线如图4所示。动作时间测试环境如图2所示，测试步骤如下。

图4 一次调频特性曲线

①测试平台完成测试接线，测试平台所有设备统一接入时间同步系统；②配置PCS模拟器发送128个PCS的GOOSE；③通过继保测试仪输出三相电压输出端口与被测装置电压采集端口连接，调整继保测试仪电压频率值，电压值固定为57.74 V，调整频率值触发一次调频动作；④网络抓包与分析工具监听被测装置发出的报文，记录系统频率变化时间与变位报文时刻的时间差来测试一次调频的动作时间。

为了测试的实时及准确性，继保测试仪采用时间整分触发的方式。

继保测试仪状态序列在20 s整秒频率由50 Hz变化到50.2 Hz，GOOSE输出时间如图5所示，对应的一次调频动作时间为17.379 ms，满足装置从测量的频率变化进入动作区到装置下行有功控制命令报文出口时间不大于100 ms的要求。

图5 一次调频GOOSE输出时间截图

同样可测试频率由50 Hz变化到49.8 Hz一次调频动作时间为16.426 ms，满足技术指标要求。

2.2 无功调压动作时间试验

协调控制器实时监测并网点电压，主动实施无功调压功能，在储能电站可调容量允许的范围内实施调压无功分配。无功调压试验在满足特性曲线的同时，要满足动作时间不超过100 ms的要求。

储能系统参与电网无功调压特性曲线如图6所示。

图6 无功调压特性曲线

动作时间测试环境如图2所示，测试步骤如下。

①通过继保测试仪输出三相电压输出端口与被测装置电压采集端口连接，调整继保测试仪电压频率值，频率固定为50 Hz，调整电压值触发无功调压动作；②网络抓包与分析工具监听被测装置发出的报文，记录系统频率变化时间与变位报文时刻的时间差来测试无功调压的动作时间。

在时间整分触发的前提下，继保测试仪状态序列在20 s整秒电压由57.74 V变化到63.51 V，GOOSE输出时间如图7所示，对应的无功调压动作时间为8.384 ms，满足装置从测量的电压变化进入动作区到装置下行无功控制命令报文出口时间不大于100 ms的要求。

图7 无功调压GOOSE输出时间截图

同样可测试电压由57.74 V变化到51.96 V无功调压动作时间为9.072 ms，满足技术指标要求。

2.3 主备切换时间试验

从储能电站可靠性角度，协调控制器为主备双套运行机制，为保证主备机可靠切换，协调控制器应具备运行、备用、检修和失电故障4种工作状态。只有主机和备机在运行状态才能进行手动或自动主备切换，主机正常运行时备机运行状态为GOOSE静默，实时监视主机的运行状态，切换为主机后发送一致的GOOSE，同一时刻只有1台为主机。

2.3.1 检修-主备切换时间试验

检修状态为装置投入检修压板，备机切换为主机，切换过程中不出现双主机，主备切换时间不大于100 ms。

测试环境如图2所示，测试步骤如下：①将主协调控制器检修压板开入串联接入继保测试仪开出信号；②通过继保测试仪输出两路并联三相电压输出端口与被测装置主机和备机的电压采集端口连接，频率稳定在50 Hz，开出信号为分位；③15 s整秒时刻开出变为合位，触发装置检修；④网络抓包与分析工具监听被测装置发出的报文，记录开出变位时刻与备机发出GOOSE报文时刻的时间差。

继保测试仪状态序列维持15 s开出信号变位，备机GOOSE输出时间如图8所示，因此检修状态对应的主备切换动作时间为15.404 ms，满足主备切换时间不大于100 ms的要求。同时，主机停止发送GOOSE，满足切换过程中不出现双主机的要求。

图8 备机GOOSE输出时间截图

2.3.2 失电故障-主备切换时间试验

失电故障为关闭主机电源，备机切换为主机，切换过程中不出现双主机，主备切换时间不大于100 ms。

测试环境如图2所示，测试步骤如下：①将主协调控制器220 V DC电源串联接入继保测试仪开出信号；②通过继保测试仪输出两路并联三相电压输出端口与被测装置主机和备机的电压采集端口连接，频率稳定在50 Hz，开出信号为合位；③130 s整秒时刻开出信号为分位，触发主机断电；④网络抓包与分析工具监听被测装置发出的报文，记录备机闭锁开入信号由0到1的SOE变位时刻与备机发出GOOSE报文时刻的时间差。

继保测试仪状态序列维持130 s开出信号变位，对应SOE事件如图9所示，GOOSE输出时间如图10所示，因此，失电状态对应的主备切换动作时间为4.363ms，满足主备切换时间不大于100 ms。同时，主机停止发送GOOSE，满足切换过程中不出现双主机的要求。

图9 SOE事件信息截图

图10 备机GOOSE输出时间截图

3 结论

协调控制器作为储能系统的中枢神经，承担协调控制等诸多功能。为充分验证其关键技术的性能，本文搭建了基于网络构架的协调控制器闭环试验平台，详尽描述平台硬件及软件关键元素，并对其功能特性进行分析。同时，对储能协调控制器的一次调频、无功调压及主备切换等关键技术进行了试验研究，试验方法详实、科学合理，试验结果验证了协调控制器的各项功能满足相关标准的要求，为储能电站的建设、设计及协调控制提供工程经验。